[논문 리뷰] Distributed Secondary Frequency Control through MTDC Transmission Systems

Martin Andreasson, Roger Wiget외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 25.

HVDC Systems and Fault Protection참고 문헌 18인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 다중 단자高压直流(MTDC) 격자로 연결된 이종 AC 시스템을 대상으로, 국부적 및 인접 지역의 주파수 및 DC 전압 측정값을 이용한 분산 2차 주파수 제어 컨트롤러를 제안한다. 라플라스 안정성 분석을 통해 저자들은 전역적 점근적 안정성을 입증하고, 분산 드롭 제어 대비 정적 주파수 및 전압 오차를 감소시켰으며, 영역 간 공정한 부하 분담을 실현한다.

ABSTRACT

In this paper, we present distributed controllers for sharing primary and secondary frequency control reserves for asynchronous AC transmission systems, which are connected through a multi-terminal HVDC grid. By using Lyapunov arguments, the equilibria of the closed-loop system are shown to be globally asymptotically stable. We quantify the static errors of the voltages and frequencies, and give upper bounds for these errors. It is also shown that the controllers have the property of power sharing, i.e., primary and secondary frequency control reserves are shared fairly amongst the AC systems. The proposed controllers are applied to a high-order dynamic model of of a power system consisting of asynchronous AC grids connected through a six-terminal HVDC grid.

연구 동기 및 목표

• MTDC 격자로 연결된 이종 AC 시스템 간 주파수 제어 예비역의 공유 문제를 해결한다.
• 슬랙 버스에 의존하거나 MTDC 전압 역학을 忽略하는 기존 제어기의 한계를 극복한다.
• 스케일이 가능하고 분산된 제어를 가능하게 하기 위해 국부적 및 인접 지역 측정값만을 사용하는 분산 제어기를 개발한다.
• 폐루프 시스템의 전역적 점근적 안정성을 확보하면서 정적 주파수 및 전압 편차를 제한한다.
• 상호연결된 AC 영역 간 주파수 제어 예비역의 공정한 분담을 달성한다.

제안 방법

• 완전한 통신 그래프가 필요한 제어기와 국부적 이웃 정보만을 사용하는 제어기를 각각 설계한다.
• 이전 연구에서 하나 이상을 忽略하는 것과는 달리, AC 주파수 역학과 MTDC 전압 역학을 모두 제어 프레임워크에 통합한다.
• 모든 제어기 파rameter에 대해 균형점의 전역적 점근적 안정성을 입증하기 위해 라플라스 기반 추론을 사용한다.
• 국부적 주파수 편차와 DC 전압 측정값에 기반해 활동 전력 주입을 조정하는 제어기를 구성한다.
• 정적 오차를 보정하기 위해 드롭 제어 원리를 2차 제어 루프에 통합한다.
• IEEE 14-bus AC 격자로 구성된 6단자 MTDC 시스템의 고차원 동적 모델에 제어기 (7)과 (8)을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 슬랙 버스에 의존하지 않고, MTDC 격자로 연결된 이종 AC 시스템 간 주파수 제어 예비역을 공유할 수 있는 분산 제어기를 설계할 수 있는가?
• RQ2 AC 주파수 및 MTDC 전압 역학을 모두 모델에 포함할 경우, 폐루프 시스템의 안정성을 어떻게 보장할 수 있는가?
• RQ3 제안된 분산 제어기의 정적 주파수 및 전압 편차 상한은 분산 제어 대비 어떤가?
• RQ4 제안된 제어기 하에서 상호연결된 AC 영역 간 주파수 제어 예비역의 분담이 얼마나 공정한가?
• RQ5 통신 토폴로지와 국부적 정보 가용성이 제어 기법의 성능 및 안정성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 분산 제어기는 라플라스 추론을 통해 폐루프 시스템의 전역적 점근적 안정성을 보장한다.
• 분산 제어기 하에서의 정적 주파수 및 전압 오차는 분산 드롭 제어기 대비 엄격히 작으며, 명시적인 상한이 제공된다.
• 분산 제어기의 주파수 편차 오차 상한은 분산 제어기 대비 $1/n$ 배로 감소한다. 여기서 $n$은 AC 영역의 수이다.
• 제어기는 주파수 제어 예비역의 공정한 분담을 달성하며, 분담 오차는 유계이면서 점차적으로 0으로 수렴한다.
• IEEE 14-bus AC 격자로 구성된 6단자 MTDC 시스템에서의 시뮬레이션 결과, 분산 제어 대비 더 빠른 수렴과 현저히 작은 정적 오차를 확인하였다.
• 모든 AC 영역에서 성능 향상이 일관되게 나타났으며, 장애 발생 후 약 30초 이내에 전압 및 주파수 편차가 새로운 평형값으로 수렴하였다.